Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Glisoare care arată trei articole pe diapozitiv.Utilizați butoanele înapoi și următorul pentru a vă deplasa prin diapozitive sau butoanele controlerului de diapozitive de la sfârșit pentru a vă deplasa prin fiecare diapozitiv.
S-a demonstrat recent că utilizarea ultrasunetelor poate îmbunătăți randamentul țesuturilor în biopsia prin aspirație cu ac fin (USeFNAB) îmbunătățită cu ultrasunete în comparație cu biopsia convențională prin aspirație cu ac fin (FNAB).Relația dintre geometria teșitului și acțiunea vârfului acului nu a fost încă investigată.În acest studiu, am investigat proprietățile rezonanței acului și amplitudinii de deflexie pentru diferite geometrii de teșire a acului cu lungimi diferite de teșire.Folosind o lancetă convențională cu o tăietură de 3,9 mm, factorul de putere de deformare a vârfului (DPR) a fost de 220 și, respectiv, 105 µm/W în aer și respectiv apă.Aceasta este mai mare decât vârful teșit axisimetric de 4 mm, care a obținut un DPR de 180 și, respectiv, 80 µm/W în aer și, respectiv, apă.Acest studiu evidențiază importanța relației dintre rigiditatea la încovoiere a geometriei teșirii în contextul diferitelor ajutoare de inserare și, astfel, poate oferi o perspectivă asupra metodelor de control al acțiunii de tăiere după perforare prin schimbarea geometriei teșirii acului, ceea ce este important pentru USeFNAB.Aplicația contează.
Biopsia prin aspirație cu ac fin (FNAB) este o tehnică în care un ac este utilizat pentru a obține o probă de țesut atunci când se suspectează o anomalie1,2,3.S-a demonstrat că vârfurile de tip Franseen oferă performanțe de diagnosticare mai mari decât vârfurile tradiționale Lancet4 și Menghini5.Teșiturile axisimetrice (adică circumferențiale) au fost, de asemenea, propuse pentru a crește probabilitatea unei probe adecvate pentru histopatologie6.
În timpul unei biopsii, un ac este trecut prin straturi de piele și țesut pentru a dezvălui o patologie suspectă.Studii recente au arătat că activarea cu ultrasunete poate reduce forța de puncție necesară pentru a accesa țesuturile moi7,8,9,10.S-a demonstrat că geometria teșirii acului afectează forțele de interacțiune ale acului, de exemplu, teșiturile mai lungi s-au dovedit a avea forțe de penetrare în țesut mai mici 11 .S-a sugerat că după ce acul a pătruns în suprafața țesutului, adică după puncție, forța de tăiere a acului poate fi de 75% din forța totală de interacțiune ac-țesut12.S-a demonstrat că ultrasunetele (US) îmbunătățesc calitatea biopsiei de diagnosticare a țesuturilor moi în faza post-puncție13.Alte metode de îmbunătățire a calității biopsiei osoase au fost dezvoltate pentru prelevarea de țesut dur14,15, dar nu au fost raportate rezultate care să îmbunătățească calitatea biopsiei.Mai multe studii au constatat, de asemenea, că deplasarea mecanică crește odată cu creșterea tensiunii unității cu ultrasunete16,17,18.Deși există multe studii despre forțele statice axiale (longitudinale) în interacțiunile ac-țesut19,20, studiile privind dinamica temporală și geometria teșirii acului în FNAB îmbunătățit cu ultrasunete (USeFNAB) sunt limitate.
Scopul acestui studiu a fost de a investiga efectul diferitelor geometrii teșite asupra acțiunii vârfului acului determinată de flexia acului la frecvențe ultrasonice.În special, am investigat efectul mediului de injectare asupra deflexiunii vârfului acului după puncție pentru teșituri convenționale ale acului (de exemplu, lancete), geometrii axisimetrice și asimetrice cu un singur teșit (Fig. pentru a facilita dezvoltarea acelor USeFNAB pentru diverse scopuri, cum ar fi aspirația selectivă). acces sau nuclei de țesut moale.
În acest studiu au fost incluse diverse geometrii teșite.(a) Lancete conforme cu ISO 7864:201636 unde \(\alpha\) este unghiul de teșire primar, \(\theta\) este unghiul de rotație al teșitului secundar și \(\phi\) este unghiul de rotație al teșirii secundar în grade , în grade (\(^\circ\)).(b) teșituri liniare asimetrice cu o singură treaptă (numite „standard” în DIN 13097:201937) și (c) teșituri liniare axisimetrice (circumferențiale) cu o singură treaptă.
Abordarea noastră este să modelăm mai întâi modificarea lungimii de undă de încovoiere de-a lungul pantei pentru geometriile convenționale de lancet, axisimetrice și asimetrică cu o singură etapă.Apoi am calculat un studiu parametric pentru a examina efectul unghiului de teșire și al lungimii tubului asupra mobilității mecanismului de transport.Acest lucru se face pentru a determina lungimea optimă pentru realizarea unui ac prototip.Pe baza simulării, au fost realizate prototipuri de ac și comportamentul lor rezonant în aer, apă și gelatină balistică 10% (g/v) a fost caracterizat experimental prin măsurarea coeficientului de reflexie a tensiunii și calcularea eficienței transferului de putere, de la care frecvența de operare a fost determinat..În cele din urmă, imagistica de mare viteză este utilizată pentru a măsura direct deviația undei de îndoire la vârful acului în aer și apă și pentru a estima puterea electrică transmisă de fiecare înclinare și geometria factorului de putere de deviere (DPR) a injectării. mediu.
După cum se arată în Figura 2a, utilizați țeavă nr. 21 (0,80 mm OD, 0,49 mm ID, 0,155 mm grosime a peretelui țevii, perete standard conform ISO 9626:201621) din oțel inoxidabil 316 (modul Young 205).\(\text {GN/m}^{2}\), densitate 8070 kg/m\(^{3}\), raportul lui Poisson 0,275).
Determinarea lungimii de undă de încovoiere și reglarea modelului cu elemente finite (FEM) al acului și condițiilor la limită.(a) Determinarea lungimii teșirii (BL) și a lungimii conductei (TL).(b) Model tridimensional (3D) cu elemente finite (FEM) care utilizează forța punctiformă armonică \(\tilde{F}_y\vec{j}\) pentru a excita acul la capătul proximal, pentru a devia punctul și pentru a măsura viteza pe vârf (\( \tilde{u}_y\vec {j}\), \(\tilde{v}_y\vec {j}\)) pentru a calcula mobilitatea mecanică de transport.\(\lambda _y\) este definită ca lungimea de undă de încovoiere asociată cu forța verticală \(\tilde{F}_y\vec {j}\).(c) Determinați centrul de greutate, aria secțiunii transversale A și momentele de inerție \(I_{xx}\) și \(I_{yy}\) în jurul axei x și, respectiv, a axei y.
După cum se arată în fig.2b,c, pentru un fascicul infinit (infinit) cu aria secțiunii transversale A și la o lungime de undă mare în comparație cu dimensiunea secțiunii transversale a fasciculului, viteza fazei de încovoiere (sau încovoiere) \(c_{EI}\ ) este definit ca 22:
unde E este modulul lui Young (\(\text {N/m}^{2}\)), \(\omega _0 = 2\pi f_0\) este frecvența unghiulară de excitație (rad/s), unde \( f_0 \ ) este frecvența liniară (1/s sau Hz), I este momentul de inerție al zonei din jurul axei de interes \((\text {m}^{4})\) și \(m'=\ rho _0 A \) este masa pe unitatea de lungime (kg/m), unde \(\rho _0\) este densitatea \((\text {kg/m}^{3})\) și A este crucea -aria de secțiune a fasciculului (planul xy) (\ (\text {m}^{2}\)).Deoarece în cazul nostru forța aplicată este paralelă cu axa verticală y, adică \(\tilde{F}_y\vec {j}\), ne interesează doar momentul de inerție al zonei din jurul orizontalei x- axă, adică \(I_{xx} \), De aceea:
Pentru modelul cu elemente finite (FEM), se presupune o deplasare armonică pură (m), deci accelerația (\(\text {m/s}^{2}\)) este exprimată ca \(\partial ^2 \vec { u}/ \ parțial t^2 = -\omega ^2\vec {u}\), de exemplu \(\vec {u}(x, y, z, t) := u_x\vec {i} + u_y \vec {j }+ u_z\vec {k}\) este un vector de deplasare tridimensional definit în coordonate spațiale.Înlocuirea acesteia din urmă cu forma lagrangiană finit deformabilă a legii echilibrului de impuls23, conform implementării sale în pachetul software COMSOL Multiphysics (versiunile 5.4-5.5, COMSOL Inc., Massachusetts, SUA), dă:
Unde \(\vec {\nabla}:= \frac{\partial}}{\partial x}\vec {i} + \frac{\partial}}{\partial y}\vec {j} + \frac{ \partial }{\partial z}\vec {k}\) este operatorul de divergență a tensorului, iar \({\underline{\sigma}}\) este al doilea tensor al tensiunii Piola-Kirchhoff (de ordinul doi, \(\ text) { N /m}^{2}\)), și \(\vec {F_V}:= F_{V_x}\vec {i}+ F_{V_y}\vec {j}+ F_{V_z}\vec { k} \) este vectorul forței corpului (\(\text {N/m}^{3}\)) a fiecărui volum deformabil, iar \(e^{j\phi }\) este faza forța corpului, are un unghi de fază \(\ phi\) (rad).În cazul nostru, forța de volum a corpului este zero, iar modelul nostru presupune liniaritate geometrică și deformații pur elastice mici, adică \({\underline{\varepsilon}}^{el} = {\underline{\varepsilon}}\ ), unde \({\underline{\varepsilon}}^{el}\) și \({\underline{ \varepsilon}}\) – deformarea elastică și respectiv deformarea totală (adimensională de ordinul doi).Tensorul de elasticitate izotrop constitutiv al lui Hooke \(\underline {\underline {C))\) se obține folosind modulul lui Young E(\(\text{N/m}^{2}\)) și se definește raportul lui Poisson v, astfel încât \ (\underline{\underline{C}}:=\underline{\underline{C}}(E,v)\) (de ordinul al patrulea).Deci calculul tensiunii devine \({\underline{\sigma}} := \underline{\underline{C}}:{\underline{\varepsilon}}\).
Calculele au fost efectuate cu elemente tetraedrice cu 10 noduri cu dimensiunea elementului \(\le\) 8 µm.Acul este modelat în vid, iar valoarea de transfer a mobilității mecanice (ms-1 H-1) este definită ca \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|= |\tilde{v}_y\vec { j} |/|\ tilde{F}_y\vec {j}|\)24, unde \(\tilde{v}_y\vec {j}\) este viteza complexă de ieșire a piesei de mână și \( \tilde{ F} _y\vec {j}\) este o forță motrice complexă situată la capătul proximal al tubului, așa cum se arată în Fig. 2b.Mobilitatea mecanică transmisivă este exprimată în decibeli (dB) folosind valoarea maximă ca referință, adică \(20\log _{10} (|\tilde{Y}|/ |\tilde{Y}_{max}| )\ ), Toate studiile FEM au fost efectuate la o frecvență de 29,75 kHz.
Designul acului (Fig. 3) constă dintr-un ac hipodermic convențional de calibrul 21 (număr de catalog: 4665643, Sterican\(^\circledR\), cu un diametru exterior de 0,8 mm, o lungime de 120 mm, realizat din AISI oțel inoxidabil crom-nichel 304., B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germania) a plasat un manșon de plastic Luer Lock din polipropilenă proximal cu o modificare corespunzătoare a vârfului.Tubul acului este lipit la ghidajul de undă așa cum se arată în Fig. 3b.Ghidul de undă a fost imprimat pe o imprimantă 3D din oțel inoxidabil (EOS Stainless Steel 316L pe o imprimantă 3D EOS M 290, 3D Formtech Oy, Jyväskylä, Finlanda) și apoi atașat la senzorul Langevin folosind șuruburi M4.Traductorul Langevin este format din 8 elemente piezoelectrice inelare cu două greutăți la fiecare capăt.
Cele patru tipuri de vârfuri (în imagine), o lancetă disponibilă în comerț (L) și trei teșituri axisimetrice cu o singură etapă (AX1-3) au fost caracterizate prin lungimi de teșire (BL) de 4, 1,2 și, respectiv, 0,5 mm.(a) Prim-plan al vârfului acului finit.(b) Vedere de sus a patru pini lipiți la un ghid de undă imprimat 3D și apoi conectați la senzorul Langevin cu șuruburi M4.
Trei vârfuri teșite axisimetrice (Fig. 3) (TAs Machine Tools Oy) au fost fabricate cu lungimi de teșire (BL, determinate în Fig. 2a) de 4,0, 1,2 și 0,5 mm, corespunzătoare \(\approx\) 2\ (^\ circ\), 7\(^\circ\) și 18\(^\circ\).Greutățile ghidului de undă și a stiloului sunt de 3,4 ± 0,017 g (media ± SD, n = 4) pentru teșirea L și, respectiv, AX1–3 (Quintix\(^\circledR\) 224 Design 2, Sartorius AG, Göttingen, Germania) .Lungimea totală de la vârful acului până la capătul manșonului de plastic este de 13,7, 13,3, 13,3, 13,3 cm pentru teșirea L și, respectiv, AX1-3 din Figura 3b.
Pentru toate configurațiile de ac, lungimea de la vârful acului până la vârful ghidului de undă (adică, zona de lipit) este de 4,3 cm, iar tubul acului este orientat astfel încât teșirea să fie orientată în sus (adică, paralelă cu axa Y). ).), ca în (Fig. 2).
Un script personalizat în MATLAB (R2019a, The MathWorks Inc., Massachusetts, SUA) care rulează pe un computer (Latitude 7490, Dell Inc., Texas, SUA) a fost folosit pentru a genera o baleiaj sinusoidal liniar de la 25 la 35 kHz în 7 secunde, convertit la un semnal analogic de un convertor digital-analogic (DA) (Analog Discovery 2, Digilent Inc., Washington, SUA).Semnalul analogic \(V_0\) (0,5 Vp-p) a fost apoi amplificat cu un amplificator de radiofrecvență (RF) dedicat (Mariachi Oy, Turku, Finlanda).Tensiunea de amplificare în scădere \({V_I}\) este scoasă de la amplificatorul RF cu o impedanță de ieșire de 50 \(\Omega\) către un transformator încorporat în structura acului cu o impedanță de intrare de 50 \(\Omega)\) Traductorul Langevin (transductoare piezoelectrice multistrat din față și din spate, încărcate cu masă) sunt folosite pentru a genera unde mecanice.Amplificatorul RF personalizat este echipat cu un contor dublu canal pentru factorul de putere a undelor staţionare (SWR) care poate detecta \({V_I}\) incidentă şi tensiunea amplificată reflectată \(V_R\) printr-un semnal analog-digital de 300 kHz (AD). ) convertor (Analog Discovery 2).Semnalul de excitație este modulat în amplitudine la început și la sfârșit pentru a preveni supraîncărcarea intrării amplificatorului cu tranzitorii.
Folosind un script personalizat implementat în MATLAB, funcția de răspuns în frecvență (AFC), adică presupune un sistem liniar staționar.De asemenea, aplicați un filtru trece-bandă de 20 până la 40 kHz pentru a elimina orice frecvențe nedorite din semnal.Referindu-ne la teoria liniilor de transmisie, \(\tilde{H}(f)\) în acest caz este echivalent cu coeficientul de reflexie a tensiunii, adică \(\rho _{V} \equiv {V_R}/{V_I} \)26 .Deoarece impedanța de ieșire a amplificatorului \(Z_0\) corespunde impedanței de intrare a transformatorului încorporat al convertorului, iar coeficientul de reflexie al puterii electrice \({P_R}/{P_I}\) se reduce la \ ({V_R }^ 2/{V_I}^2\ ), atunci este \(|\rho _{V}|^2\).În cazul în care este necesară valoarea absolută a puterii electrice, calculați puterea incidentă \(P_I\) și reflectată\(P_R\) (W) luând valoarea medie pătratică (rms) a tensiunii corespunzătoare, de exemplu, pentru o linie de transmisie cu excitație sinusoidală, \(P = {V}^2/(2Z_0)\)26, unde \(Z_0\) este egal cu 50 \(\Omega\).Puterea electrică furnizată sarcinii \(P_T\) (adică mediul introdus) poate fi calculată ca \(|P_I – P_R |\) (W RMS), iar eficiența transferului de putere (PTE) poate fi definită și exprimată ca un procentul (%) dă astfel 27:
Răspunsul în frecvență este apoi utilizat pentru a estima frecvențele modale \(f_{1-3}\) (kHz) ale designului stiloului și eficiența corespunzătoare a transferului de putere, \(\text {PTE}_{1{-}3} \ ).FWHM (\(\text {FWHM}_{1{-}3}\), Hz) este estimat direct din \(\text {PTE}_{1{-}3}\), din Tabelul 1 frecvențele \(f_{1-3}\) descrise în .
O metodă pentru măsurarea răspunsului în frecvență (AFC) al unei structuri aciculare.Măsurarea sinusoială dublu canal25,38 este utilizată pentru a obține funcția de răspuns în frecvență \(\tilde{H}(f)\) și răspunsul său la impuls H(t).\({\mathcal {F}}\) și \({\mathcal {F}}^{-1}\) denotă transformarea Fourier trunchiată numerică și, respectiv, operația de transformare inversă.\(\tilde{G}(f)\) înseamnă că cele două semnale sunt înmulțite în domeniul frecvenței, de exemplu, \(\tilde{G}_{XrX}\) înseamnă scanare inversă\(\tilde{X} r( f )\) și semnalul căderii de tensiune \(\tilde{X}(f)\).
După cum se arată în fig.5, cameră de mare viteză (Phantom V1612, Vision Research Inc., New Jersey, SUA) echipată cu un obiectiv macro (MP-E 65 mm, \(f)/2.8, 1-5 \ (\times\), Canon Inc ., Tokyo, Japonia) au fost utilizate pentru a înregistra deviația unui vârf de ac supus unei excitații de încovoiere (o singură frecvență, sinusoidă continuă) la o frecvență de 27,5-30 kHz.Pentru a crea o hartă umbră, un element răcit dintr-un LED alb de înaltă intensitate (număr de piesă: 4052899910881, White Led, 3000 K, 4150 lm, Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, Germania) a fost plasat în spatele teșiturii acului.
Vedere frontală a configurației experimentale.Adâncimea este măsurată de la suprafața suportului.Structura acului este prinsă și montată pe o masă de transfer motorizată.Utilizați o cameră de mare viteză cu o lentilă de mărire mare (5\(\times\)) pentru a măsura deformarea vârfului teșit.Toate dimensiunile sunt in milimetri.
Pentru fiecare tip de teșire a acului, am înregistrat 300 de cadre de cameră de mare viteză de 128 \(\x\) 128 pixeli, fiecare cu o rezoluție spațială de 1/180 mm (\(\aprox.) 5 µm), cu o rezoluție temporală. de 310.000 de cadre pe secundă.După cum se arată în Figura 6, fiecare cadru (1) este decupat (2), astfel încât vârful să fie în ultima linie (de jos) a cadrului, apoi se calculează histograma imaginii (3), astfel încât pragurile Canny 1 și 2 poate fi determinat.Apoi aplicați detectarea marginilor Canny28(4) folosind operatorul Sobel 3 \(\times\) 3 și calculați poziția pixelului ipotenuzei non-cavitaționale (etichetată \(\mathbf {\times }\)) pentru toți pașii de 300 de ori .Pentru a determina intervalul deformarii la sfârșit, se calculează derivata (folosind algoritmul de diferență centrală) (6) și se identifică cadrul care conține extrema locală (adică vârful) deformarii (7).După inspectarea vizuală a marginii necavitante, a fost selectată o pereche de cadre (sau două cadre separate de o jumătate de perioadă de timp) (7) și a fost măsurată deformarea vârfului (etichetată \(\mathbf {\times} \ ) A fost implementat cele de mai sus. în Python (v3.8, Python Software Foundation, python.org) folosind algoritmul de detectare a marginilor OpenCV Canny (v4.5.1, biblioteca open source computer vision, opencv.org putere electrică \ (P_T \) (W, rms) .
Deviația vârfului a fost măsurată folosind o serie de cadre luate de la o cameră de mare viteză la 310 kHz folosind un algoritm în 7 pași (1-7), inclusiv încadrarea (1-2), detectarea marginii Canny (3-4), marginea locației pixelilor calculul (5) și derivatele lor în timp (6) și, în final, deviația vârfului vârf la vârf au fost măsurate pe perechi de cadre inspectate vizual (7).
Măsurătorile au fost efectuate în aer (22,4-22,9°C), apă deionizată (20,8-21,5°C) și gelatină balistică 10% (g/v) (19,7-23,0°C, \(\text {Honeywell}^{ \text) { TM}}\) \(\text {Fluka}^{\text {TM}}\) Gelatina de oase de bovine și de porc pentru analiza balistică de tip I, Honeywell International, Carolina de Nord, SUA).Temperatura a fost măsurată cu un amplificator de termocuplu de tip K (AD595, Analog Devices Inc., MA, SUA) și un termocuplu de tip K (sondă Fluke 80PK-1 Bead No. 3648 tip K, Fluke Corporation, Washington, SUA).De la mediu Adâncimea a fost măsurată de la suprafață (setată ca origine a axei z) folosind o etapă verticală motorizată a axei z (8MT50-100BS1-XYZ, Standa Ltd., Vilnius, Lituania) cu o rezoluție de 5 µm.pe pas.
Deoarece dimensiunea eșantionului a fost mică (n = 5) și normalitatea nu a putut fi presupusă, a fost utilizat un test de sumă Wilcoxon cu două eșantioane cu două cozi (R, v4.0.3, R Foundation for Statistical Computing, r-project .org) pentru a compara cantitatea de variație a vârfului acului pentru diferite teșituri.Au fost 3 comparații pe versant, așa că a fost aplicată o corecție Bonferroni cu un nivel de semnificație ajustat de 0,017 și o rată de eroare de 5%.
Să ne întoarcem acum la Fig.7.La o frecvență de 29,75 kHz, semiunda de îndoire (\(\lambda_y/2\)) a unui ac de calibrul 21 este \(\aproximativ) 8 mm.Pe măsură ce cineva se apropie de vârf, lungimea de undă de încovoiere scade de-a lungul unghiului oblic.La vârful \(\lambda _y/2\) \(\aproximativ\) există trepte de 3, 1 și 7 mm pentru înclinarea obișnuită lanceolate (a), asimetrică (b) și axisimetrică (c) a unui singur ac. , respectiv.Astfel, aceasta înseamnă că intervalul lancetei este \(\aproximativ) 5 mm (datorită faptului că cele două plane ale lancetei formează un singur punct29,30), teșirea asimetrică este de 7 mm, teșirea asimetrică este 1 mm.Pantele axisimetrice (centrul de greutate rămâne constant, deci doar grosimea peretelui conductei se modifică de-a lungul pantei).
Studii FEM și aplicarea ecuațiilor la o frecvență de 29,75 kHz.(1) La calcularea variației semi-undei de încovoiere (\(\lambda_y/2\)) pentru geometriile lancetei (a), asimetrice (b) și axisimetrice (c) (ca în Fig. 1a,b,c). ).Valoarea medie \(\lambda_y/2\) a teșiturii lancete, asimetrice și axisimetrice a fost de 5,65, 5,17 și, respectiv, 7,52 mm.Rețineți că grosimea vârfului pentru teșiturile asimetrice și axisimetrice este limitată la \(\aprox.) 50 µm.
Mobilitatea de vârf \(|\tilde{Y}_{v_yF_y}|\) este combinația optimă a lungimii tubului (TL) și a lungimii teșitei (BL) (Fig. 8, 9).Pentru o lancetă convențională, deoarece dimensiunea sa este fixă, TL optimă este \(\aproximativ) 29,1 mm (Fig. 8).Pentru teșituri asimetrice și axisimetrice (Fig. 9a, b, respectiv), studiile FEM au inclus BL de la 1 la 7 mm, astfel încât TL optime au fost de la 26,9 la 28,7 mm (interval 1,8 mm) și de la 27,9 la 29,2 mm (interval). 1,3 mm), respectiv.Pentru panta asimetrică (Fig. 9a), TL optim a crescut liniar, a atins un platou la BL 4 mm și apoi a scăzut brusc de la BL 5 la 7 mm.Pentru o teșire axisimetrică (Fig. 9b), TL optim a crescut liniar odată cu creșterea BL și în final s-a stabilizat la BL de la 6 la 7 mm.Un studiu extins al înclinării axisimetrice (Fig. 9c) a relevat un set diferit de TL-uri optime la \(\aprox.) 35,1–37,1 mm.Pentru toate BL-urile, distanța dintre cele mai bune două TL-uri este \(\aprox\) 8mm (echivalent cu \(\lambda_y/2\)).
Mobilitatea transmisiei lancetei la 29,75 kHz.Acul a fost excitat flexibil la o frecvență de 29,75 kHz și vibrația a fost măsurată la vârful acului și exprimată ca cantitatea de mobilitate mecanică transmisă (dB în raport cu valoarea maximă) pentru TL 26,5-29,5 mm (în trepte de 0,1 mm) .
Studiile parametrice ale FEM la o frecvență de 29,75 kHz arată că mobilitatea de transfer a unui vârf axisimetric este mai puțin afectată de o modificare a lungimii tubului decât omologul său asimetric.Studii de lungime a teșirii (BL) și a lungimii conductei (TL) ale geometriilor de teșire asimetrice (a) și axisimetrice (b, c) în studiul domeniului de frecvență folosind FEM (condițiile la limită sunt prezentate în Fig. 2).(a, b) TL a variat de la 26,5 la 29,5 mm (pas de 0,1 mm) și BL 1-7 mm (pas de 0,5 mm).(c) Studii extinse de înclinare axisimetrică, inclusiv TL 25–40 mm (în trepte de 0,05 mm) și BL 0,1–7 mm (în trepte de 0,1 mm) care arată că \(\lambda_y/2\ ) trebuie să îndeplinească cerințele vârfului.condiții de limită în mișcare.
Configurația acului are trei frecvențe proprii \(f_{1-3}\) împărțite în regiuni de mod scăzut, mediu și înalt, așa cum se arată în Tabelul 1. Mărimea PTE a fost înregistrată așa cum se arată în fig.10 și apoi analizate în Fig. 11. Mai jos sunt constatările pentru fiecare zonă modală:
Amplitudini tipice înregistrate ale eficienței transferului de putere instantaneu (PTE) obținute cu excitație sinusoidală cu frecvență baleiată pentru o lancetă (L) și teșire axisimetrică AX1-3 în aer, apă și gelatină la o adâncime de 20 mm.Sunt prezentate spectre unilaterale.Răspunsul în frecvență măsurat (eșantionat la 300 kHz) a fost filtrat cu trecere jos și apoi redus cu un factor de 200 pentru analiza modală.Raportul semnal-zgomot este \(\le\) 45 dB.Fazele PTE (linii punctate violete) sunt afișate în grade (\(^{\circ}\)).
Analiza răspunsului modal (media ± abatere standard, n = 5) prezentată în Fig. 10, pentru versanții L și AX1-3, în aer, apă și gelatină 10% (adâncime 20 mm), cu (sus) trei regiuni modale ( joasă, medie și înaltă) și frecvențele lor modale corespunzătoare\(f_{1-3 }\) (kHz), eficiență energetică (medie) \(\text {PTE}_{1{-}3}\) Calculate folosind echivalente .(4) și (jos) lățimea completă la jumătate din măsurătorile maxime \(\text {FWHM}_{1{-}3}\) (Hz).Rețineți că măsurarea lățimii de bandă a fost omisă când a fost înregistrat un PTE scăzut, adică \(\text {FWHM}_{1}\) în cazul pantei AX2.Modul \(f_2\) s-a dovedit a fi cel mai potrivit pentru compararea deformațiilor pantei, deoarece a arătat cel mai înalt nivel de eficiență a transferului de putere (\(\text {PTE}_{2}\)), până la 99%.
Prima regiune modală: \(f_1\) nu depinde foarte mult de tipul de mediu introdus, ci depinde de geometria pantei.\(f_1\) scade odată cu scăderea lungimii teșirii (27,1, 26,2 și, respectiv, 25,9 kHz în aer pentru AX1-3).Mediile regionale \(\text {PTE}_{1}\) și \(\text {FWHM}_{1}\) sunt \(\approx\) 81% și, respectiv, 230 Hz.\(\text {FWHM}_{1}\) are cel mai mare conținut de gelatină din Lancet (L, 473 Hz).Rețineți că \(\text {FWHM}_{1}\) AX2 în gelatină nu a putut fi evaluat din cauza amplitudinii FRF scăzute înregistrate.
A doua regiune modală: \(f_2\) depinde de tipul de suport introdus și de teșire.Valorile medii \(f_2\) sunt 29,1, 27,9 și 28,5 kHz în aer, apă și respectiv gelatină.Această regiune modală a arătat, de asemenea, un PTE ridicat de 99%, cel mai mare dintre orice grup măsurat, cu o medie regională de 84%.\(\text {FWHM}_{2}\) are o medie regională de \(\aproximativ\) 910 Hz.
Regiunea al treilea mod: frecvența \(f_3\) depinde de tipul suportului și de teșire.Valorile medii \(f_3\) sunt 32,0, 31,0 și 31,3 kHz în aer, apă și respectiv gelatină.Media regională \(\text {PTE}_{3}\) a fost de \(\aproximativ\) 74%, cea mai scăzută dintre toate regiunile.Media regională \(\text {FWHM}_{3}\) este \(\aproximativ\) 1085 Hz, ceea ce este mai mare decât prima și a doua regiune.
       Următoarele se referă la Fig.12 și Tabelul 2. Lanceta (L) a deviat cel mai mult (cu semnificație mare pentru toate vârfurile, \(p<\) 0,017) atât în ​​aer cât și în apă (Fig. 12a), obținând cel mai mare DPR (până la 220 µm/). W în aer). 12 și Tabelul 2. Lanceta (L) a deviat cel mai mult (cu semnificație mare pentru toate vârfurile, \(p<\) 0,017) atât în ​​aer cât și în apă (Fig. 12a), obținând cel mai mare DPR (până la 220 µm/). W în aer). Следующее относится к рисунку 12 и таблице 2. Ланцет (L) отклонялся больше всего сочо всего ех наконечников, \(p<\) 0,017) как в воздухе, так и в воде (рис. 12а), достигая самого высокого высокого . Următoarele se aplică pentru Figura 12 și Tabelul 2. Lanceta (L) a fost deviată cel mai mult (cu semnificație ridicată pentru toate vârfurile, \(p<\) 0,017) atât în ​​aer cât și în apă (Fig. 12a), obținând cel mai mare DPR .(do 220 μm/W în aer).Smt.Figura 12 și Tabelul 2 de mai jos.柳叶刀(L) 在空气和水中偏转最多（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0,017（对所有尖端具有高显着性，\(p<\) 0,017高DPR （在空气中高达220 µm/W）。柳叶刀(L) are cea mai mare deflexie în aer și apă (对所记尖端可以高电影性,\(p<\) 0,017) (图12a) și a atins cel mai mare DPR (până la 220 µm/W în aer). Ланцет (L) отклонялся больше всего (высокая значимость для всех наконечников, \(p<\) всокая значимость для всех наконечников; 12а), достигая наибольшего DPR (до 220 мкм/Вт в воздухе). Lanceta (L) a deviat cel mai mult (semnificație mare pentru toate vârfurile, \(p<\) 0,017) în aer și apă (Fig. 12a), atingând cel mai mare DPR (până la 220 µm/W în aer). În aer, AX1 care a avut BL mai mare, a deviat mai mult decât AX2–3 (cu semnificație, \(p<\) 0,017), în timp ce AX3 (care a avut cel mai mic BL) a deviat mai mult decât AX2 cu un DPR de 190 µm/W. În aer, AX1 care a avut BL mai mare, a deviat mai mult decât AX2–3 (cu semnificație, \(p<\) 0,017), în timp ce AX3 (care a avut cel mai mic BL) a deviat mai mult decât AX2 cu un DPR de 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклонялся выше, чем AX2–3 (со значимостью \(p<\) 0,017 сонялся выше, чем AX2-3 м BL) отклонялся больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. În aer, AX1 cu BL mai mare a deviat mai mult decât AX2–3 (cu semnificație \(p<\) 0,017), în timp ce AX3 (cu cel mai mic BL) a deviat mai mult decât AX2 cu DPR 190 µm/W.在空气中，具有更高BL 的AX1 比AX2-3 偏转更高（具有显着性，\(p<\) 0,017，AX2-3（具有显着性，\(p<\) 0,017，AX3，有更高（具有显着性，偏转大于AX2，DPR 为190 µm/W 。 În aer, deviația lui AX1 cu BL mai mare este mai mare decât cea a AX2-3 (în mod semnificativ, \(p<\) 0,017), iar deviația AX3 (cu BL cel mai mic) este mai mare decât cea a AX2, DPR este 190 µm/W. В воздухе AX1 с более высоким BL отклоняется больше, чем AX2-3 (значимо, \(p<\) 0,017), тогачимо 0,017, тогасим больше ) отклоняется больше, чем AX2 с DPR 190 мкм/Вт. În aer, AX1 cu BL mai mare deviază mai mult decât AX2-3 (semnificativ, \(p<\) 0,017), în timp ce AX3 (cu cel mai mic BL) deviază mai mult decât AX2 cu DPR 190 μm/W.La 20 mm apă, deformarea și PTE AX1–3 nu au fost semnificativ diferite (\(p>\) 0,017).Nivelurile de PTE în apă (90,2–98,4%) au fost în general mai mari decât în ​​aer (56–77,5%) (Fig. 12c), iar fenomenul de cavitație a fost observat în timpul experimentului în apă (Fig. 13, vezi și adițional). informație).
Cantitatea de deviere a vârfului (media ± SD, n = 5) măsurată pentru teșirea L și AX1-3 în aer și apă (adâncime 20 mm) arată efectul modificării geometriei teșiturii.Măsurătorile au fost obținute folosind excitație sinusoidală continuă cu o singură frecvență.(a) Deviația vârf la vârf (\(u_y\vec {j}\)) la vârf, măsurată la (b) frecvențele lor modale respective \(f_2\).(c) Eficiența transferului de putere (PTE, RMS, %) a ecuației.(4) și (d) Factorul de putere de deviație (DPR, µm/W) calculat ca abatere de la vârf la vârf și puterea electrică transmisă \(P_T\) (Wrms).
O diagramă tipică de umbră a camerei de mare viteză care arată abaterea de la vârf la vârf (linii punctate verzi și roșii) a unei lancete (L) și a vârfului axisimetric (AX1–3) în apă (adâncime de 20 mm) pe o jumătate de ciclu.ciclu, la frecvența de excitație \(f_2\) (frecvența de eșantionare 310 kHz).Imaginea în tonuri de gri capturată are o dimensiune de 128×128 pixeli și o dimensiune a pixelilor de \(\aprox\) 5 µm.Videoclipul poate fi găsit în informații suplimentare.
Astfel, am modelat modificarea lungimii de undă de încovoiere (Fig. 7) și am calculat mobilitatea mecanică transferabilă pentru combinații de lungime a țevii și teșit (Fig. 8, 9) pentru teșituri convenționale cu lancet, asimetrice și axisimetrice de forme geometrice.Pe baza acestuia din urmă, am estimat distanța optimă de 43 mm (sau \(\aproximativ) 2,75\(\lambda _y\) la 29,75 kHz) de la vârf la sudură, așa cum se arată în Fig. 5, și am făcut trei axisimetrice. teșituri cu diferite lungimi de teșire.Apoi le-am caracterizat comportamentul de frecvență în aer, apă și gelatină balistică de 10% (g/v) în comparație cu lancetele convenționale (Figurile 10, 11) și am determinat modul cel mai potrivit pentru compararea deflexiunii teșite.În cele din urmă, am măsurat deviația vârfului prin val de îndoire în aer și apă la o adâncime de 20 mm și am cuantificat eficiența transferului de putere (PTE, %) și factorul de putere de deformare (DPR, µm/W) al mediului de inserție pentru fiecare teșire.tip unghiular (Fig. 12).
S-a demonstrat că geometria teșirii acului afectează cantitatea de deviere a vârfului acului.Lanceta a obținut cea mai mare deformare și cea mai mare DPR în comparație cu teșirea axisimetrică cu deformare medie mai mică (Fig. 12).Teșirea axisimetrică de 4 mm (AX1) cu cea mai lungă teșire a obținut o deviere maximă semnificativă statistic în aer în comparație cu celelalte ace axisimetrice (AX2–3) (\(p < 0,017\), Tabelul 2), dar nu a existat nicio diferență semnificativă .observat când acul este introdus în apă.Astfel, nu există un avantaj evident de a avea o lungime de teșire mai mare în ceea ce privește deviația vârfului la vârf.Având în vedere acest lucru, se pare că geometria teșitului studiată în acest studiu are un efect mai mare asupra deformarii decât lungimea teșirii.Acest lucru se poate datora rigidității la îndoire, de exemplu, în funcție de grosimea totală a materialului îndoit și de designul acului.
În studiile experimentale, mărimea undei de încovoiere reflectată este afectată de condițiile la limită ale vârfului.Când vârful acului este introdus în apă și gelatină, \(\text {PTE}_{2}\) este \(\aproximativ\) 95% și \(\text {PTE}_{ 2}\) este \ (\text {PTE}_{ 2}\) valorile sunt 73% și 77% pentru (\text {PTE}_{1}\) și \(\text {PTE}_{3}\), respectiv (Fig. 11).Aceasta indică faptul că transferul maxim de energie acustică către mediul de turnare, adică apă sau gelatină, are loc la \(f_2\).Comportament similar a fost observat într-un studiu anterior31 folosind o configurație mai simplă a dispozitivului în intervalul de frecvență 41-43 kHz, în care autorii au arătat dependența coeficientului de reflexie a tensiunii de modulul mecanic al mediului de încorporare.Adâncimea de penetrare32 și proprietățile mecanice ale țesutului asigură o sarcină mecanică asupra acului și, prin urmare, se așteaptă să influențeze comportamentul rezonant al UZEFNAB.Astfel, algoritmii de urmărire prin rezonanță (de exemplu 17, 18, 33) pot fi utilizați pentru a optimiza puterea acustică furnizată prin ac.
Simularea la lungimi de undă de încovoiere (Fig. 7) arată că vârful axisimetric este structural mai rigid (adică, mai rigid la îndoire) decât lanceta și teșirea asimetrică.Pe baza (1) și folosind relația cunoscută viteză-frecvență, estimăm rigiditatea la încovoiere la vârful acului ca \(\aproximativ\) 200, 20 și 1500 MPa pentru planurile lancete, asimetrice și, respectiv, înclinate axial.Aceasta corespunde cu \(\lambda_y\) de \(\aproximativ\) 5,3, 1,7 și, respectiv, 14,2 mm, la 29,75 kHz (Fig. 7a–c).Având în vedere siguranța clinică în timpul USeFNAB, trebuie evaluat efectul geometriei asupra rigidității structurale a planului înclinat34.
Un studiu al parametrilor teșirii în raport cu lungimea tubului (Fig. 9) a arătat că domeniul de transmisie optim a fost mai mare pentru teșirea asimetrică (1,8 mm) decât pentru teșirea axisimetrică (1,3 mm).În plus, mobilitatea este stabilă la \(\aproximativ) de la 4 la 4,5 mm și de la 6 la 7 mm pentru înclinări asimetrice și respectiv axisimetrice (Fig. 9a, b).Semnificația practică a acestei descoperiri este exprimată în toleranțele de fabricație, de exemplu, un interval mai mic de TL optim poate însemna că este necesară o precizie mai mare a lungimii.În același timp, platoul de mobilitate oferă o toleranță mai mare pentru alegerea lungimii declinului la o frecvență dată, fără un impact semnificativ asupra mobilității.
Studiul include următoarele limitări.Măsurarea directă a deviației acului folosind detectarea marginilor și imagistica de mare viteză (Figura 12) înseamnă că suntem limitați la medii transparente optic, cum ar fi aerul și apa.De asemenea, am dori să subliniem că nu am folosit experimente pentru a testa mobilitatea de transfer simulată și invers, ci am folosit studii FEM pentru a determina lungimea optimă pentru fabricarea acului.În ceea ce privește limitările practice, lungimea lancetei de la vârf la manșon este cu \(\aproximativ) 0,4 cm mai lungă decât alte ace (AX1-3), vezi fig.3b.Acest lucru poate afecta răspunsul modal al designului acului.În plus, forma și volumul lipiturii de la capătul unui știft al ghidajului de undă (vezi Figura 3) pot afecta impedanța mecanică a designului pinului, introducând erori în impedanța mecanică și comportamentul la îndoire.
În cele din urmă, am demonstrat că geometria teșită experimentală afectează cantitatea de deviere în USeFNAB.Dacă o deformare mai mare ar avea un efect pozitiv asupra efectului acului asupra țesutului, cum ar fi eficiența tăierii după perforare, atunci o lancetă convențională poate fi recomandată în USeFNAB, deoarece oferă o deformare maximă, menținând în același timp o rigiditate adecvată a vârfului structural..Mai mult, un studiu recent35 a arătat că o deformare mai mare a vârfului poate spori efectele biologice, cum ar fi cavitația, care poate contribui la dezvoltarea aplicațiilor chirurgicale minim invazive.Având în vedere că s-a demonstrat că creșterea puterii acustice totale crește randamentul biopsiei în USeFNAB13, sunt necesare studii cantitative suplimentare ale randamentului și calității probei pentru a evalua beneficiile clinice detaliate ale geometriei acului studiate.